轨道交通8度区独柱车站模型振动台试验研究

陈 慧,马福东,郝 玮,刘 枫

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055； 2.中国建筑科学研究院有限公司,北京 100013)

引言

独柱车站属于建桥合一结构，常用形式有“T”字形和“干”字形，与传统的城轨车站相比，独柱车站的竖向落地支撑结构设在道路中央的隔离带，有占地面积小，对城市密集的既有公路交通系统影响小的优势，有助于发展以公共交通为主的绿色出行，近年在抗震设防低烈度地区的城市轨道交通中得到了越来越广泛的应用[1-9]。但由于该结构体系在垂轨向属于单重抗侧力体系，抗震冗余度小，其结构特点不利于结构抗震[10-11]，因此独柱车站的抗震设计显得格外重要。虽然针对该结构形式在抗震设防8度以上地区如何应用已有一些研究成果[12-16]，但还没有实际的工程实践。

因此，为了在高烈度地区推广这种结构形式，本文中“干”字形独柱车站针对高烈度区采用了抗震性能更好的钢-混凝土组合结构形式，这类结构具有整体刚度好、质量轻等特点。为了研究这种新型组合结构形式的抗震性能，首次采用细石混凝土和薄钢板设计、制作了缩尺比例为1∶10的试验模型，进行了模拟地震振动台模型试验。振动台模型试验是研究结构地震响应和破坏机理的最直接方法，也是研究复杂结构抗震问题的主要手段。通过相似比理论对结构几何尺寸、材料、荷载、边界条件等模拟实现动力相似，输入地震波进行动力试验，可以真实再现地震作用的动力过程，模拟结构在遭遇地震时的真实反映，检验其整体抗震性能[17-19]。

1 工程概况

某独柱车站高度为21.32 m，平面尺寸为22.98 m×90 m，单榀跨度为13.5 m及16 m，下部采用型钢混凝土结构，上部采用钢结构体系。整个车站(地上部分)总质量约9 377 t。车站承轨层之下的“干”字形结构为内灌混凝土的矩形钢管组合构件，站厅层的盖梁截面较大，只在下侧受压区和梁柱节点区浇筑混凝土，即可有效利用组合结构不同材料的受力特性，也可减小结构自重。结构剖面如图1所示。

图1 “干”字形独柱车站结构布置剖面(单位：mm)

原结构有6跨，长为90 m，受振动台尺寸限制，构件缩尺后截面较小，钢管内空腔较小，不利于混凝土流动，无法保证浇筑密实，同时受尺寸效应影响，模型节点会更失真。为了更真实模拟构件受力状态，模型的尺寸应尽量大。独柱车站结构受力不利的方向是垂直于轨道方向，这个方向为悬臂结构，无冗余自由度，而顺轨向跨度增加，可以看成一个个基本悬臂结构单元的串联，由于各单元质量略有不同，会使得整体结构有一些扭转响应。从6跨中选取包含结构所有不利因素(如楼板大开洞、设备荷载分布不均匀)的4跨，既体现了原结构质量不均匀的特点，也减小了整个结构长度至59 m，可以进行更大缩尺比例的模型试验。如图2所示。

图2 “干”字形独柱车站结构立面(单位 ：m)

2 模型材料

在振动台试验模型设计之前，首先要选取合适的材料，混凝土材料除了材性要满足材料强度和弹性模量的相似关系，对和易性、流动性也有要求，否则会影响浇筑质量。

首先通过试配试验来确定细石混凝土的配合比，经过比选，确定模型混凝土配合比见表1，模型混凝土的弹性模量和强度与原型材料可实现1∶1.7的相似比。

表1 混凝土材料配比 kg/m3

在模型加工过程，浇筑混凝土时保留3个100 mm×100 mm×100 mm立方体强度试块和3个100 mm×100 mm×300 mm弹模试块，与试验模型同期养护，在振动台试验前进行材性试验，结果见表2。从结果看，混凝土材料具有一定的离散性，整体上模型独柱及盖梁的混凝土实测强度和弹性模量的平均值与目标值基本一致。

表2 混凝土试块材料性能试验结果 MPa

焊接后钢板材料性能会发生变化，因此从经过焊接的钢构件上剪裁钢板试件，每种厚度各取3件，进行强度和弹性模量的材料性能试验，结果见表3。由于钢材强度和弹性模量无法满足相似比，在构件设计时，根据构件受力特性，按照EA或EI等效的原则进行构件截面设计，保证模型在构件层面与原型满足刚度相似。

表3 钢板材料性能试验结果

3 相似关系

试验在中国建筑科学研究院国家重点实验室的振动台进行，该振动台尺寸6 m×6 m，标准负荷承载能力为600 kN。

综合考量结构体量、试验设备能力、模型及原型材料特性，确定3个量纲的相似参数(通常是长度、弹模、质量密度或加速度放大系数)，再通过量纲分析方法，确定模型其他参数的相似关系。本次试验的模型长度相似比(缩尺比例)为1/10，根据上节所述的模型材料性能，材料弹模相似比SE为1/1.7；实现重力相似，加速度相似比为1.0。通过以上确定的3个相似比，可推导得到模型的其他相似关系见表4。

表4 试验模型相似关系(模型∶原型)

试验模型最终平面尺寸为6 m×2.3 m，总质量为59 t，充分利用了设备性能。

4 模型设计及加工

根据确定的相似比例关系以及原型结构设计图纸进行模型结构设计，设计中需要做一定的简化，主要原则如下。

(1)本次试验范围为独墩柱以上结构，不包含基础及柱墩。

(2)模型设计满足模型与原型在材料特性、几何特性、构件和节点构造、荷载分布等方面的相似律需求。

(3)关键构件：模型中的独墩柱、横向主梁、纵向主梁、支撑站台层梁、轨道梁、盖梁等均严格按相似关系制作。

(4)楼面次梁做适当简化和归并。

(5)围护结构仅作为配重考虑。

(6)雨棚杆件适当简化和归并，仅模拟刚度及荷载。

(7)节点：关键节点按照原型构造做法进行适当简化和加强、次要节点简化加强。

(8)构件截面等效：模型部分钢材规格无相应产品，需进行替换，原则是承载力及刚度等效满足试验要求。

(9)将楼梯简化为洞口，对应荷载加到周边梁上。

振动台试验模型的加工与结构实际施工过程相似。模型加工过程见图3。按照基础底板、独墩柱、站厅层、承轨层、站台层、雨棚的顺序施工，型钢构件均采用钢板焊接而成。每层先安装型钢构件，浇筑竖向构件混凝土，然后施工水平钢构件；钢管内混凝土采用上开洞的办法浇筑，并设置排气孔；站台层以下钢结构及型钢内混凝土浇筑完成后，再一次性浇筑所有楼板，施工时采用木模板，最后整体吊装焊接钢结构屋盖。

图3 试验模型加工过程

质量相似需通过施加铅块配重作为附加质量来实现，本项目中存在荷载分布不均匀且构件自重占比较大的特点，试验加载示意见图4～图7，不同颜色图例为各楼层每个跨度单元内需加质量，模型总共需加配重477 kN。

图4 站厅层楼面配重布置

图5 承轨层楼面配重布置

图6 站台层楼面配重布置

图7 雨棚层楼面配重布置

5 测试方案及加载工况

在模型底板和各层楼面布置加速度传感器如图8所示，可测得结构自振特性和加速度响应。再通过对加速度进行两次积分，可以获得各测点的位移。

图8 加速度传感器布置示意

试验从8度小震(峰值加速度100 cm/s2)开始逐渐增大地震作用，经历了相当于8度中震、8度大震的地震作用，直到超设防烈度的8.5度大震(峰值加速度510 cm/s2)。试验所用地震波均根据规范反应谱确定，小震和中震各输入2组天然波和1组人工波，共6组地震波。

大震工况下，为避免累计损伤影响试验结果，仅采用反应最大的一条地震波进行试验。中、大震仅进行三向输入，小震除进行三向输入外，还进行了垂轨向的单向输入。根据汶川震害相关调研发现[15]，地震作用的竖向分量有时与水平分量相当。因此，在三向输入时，除了进行规范要求的三方向输入峰值比依次为1∶0.85∶0.75(主方向：次方向：竖向)的工况外，还进行了1∶0.85∶1(主方向∶次方向∶竖向)的工况。试验前模型如图9所示。

6 试验结果

6.1 试验过程及现象

8度小震共包括9次地震动输入(工况2～12)，模型整体动力反应较小，可以观察到结构有肉眼可见振动。输入结束后，结构频率略有下降，钢构件未发现屈曲，柱脚及节点区域未见破坏，结构整体完好。

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8度中震共包括6次地震动输入(工况14～20)，模型整体动力响应较大，钢结构屋盖伴随有响声，可以观察到结构存在较为明显的绕X轴(X：纵桥向；Y：横桥向；Z：竖向)转动。输入结束后，结构刚度有所降低，楼板与钢梁交界面出现裂缝。

8度大震输入时(工况22)，模型整体动力反应强烈，振幅较大，屋盖振幅大于下部结构，钢结构屋面发出较大声响。结构有明显的绕X轴转动；动力响应仍以结构整体反应为主，没有出现局部振动。输入结束后，观察到楼板在面内出现开裂，其他部位未见明显损伤。试验后模型状况见图10。

图10 试验后模型状况

8.5度大震输入时，模型整体动力反应剧烈，整体振幅更大，钢结构屋面发出剧烈声响。结构为整体平动，扭转效应不明显，同时伴随明显的绕X轴转动，与其他层相比，顶部钢结构屋面振幅较下部结构更大。输入结束后，楼板裂缝进一步发展；钢梁和楼板脱开，交界处出现较大裂缝；其他部位未见明显损伤。

6.2 结构自振特性

模型结构经历了从小震到大震的输入地震动作用，在整个过程中模型的自振特性发生了相应变化。在每个等级地震工况完成后，随即进行白噪声激励，从而得到各级地震作用后模型的自振特性，见表5。

表5 模型自振特性及阻尼比变化

从实测频率可以看出，结构X方向的频率大于Y向频率，说明结构X方向的整体刚度较大。随着地震工况输入加速度峰值的提高，结构的频率逐渐降低，表明结构的损伤变大，刚度下降，同时结构的阻尼增大。

与初始状态相比，8度小震后，X向和Y向刚度分别降低6%和12%；8度中震后，X向和Y向刚度分别降低22%和24%；8度大震后，X向和Y向刚度分别降低27%和25%；8.5度大震后，X向和Y向刚度分别降低29%和29%。

虽然小震后结构即出现下降，但试验过程中没有观测到损伤，刚度下降原因可能为结构设计条件不一致导致。在小震阶段，站台层以上按50年一遇设计，结构其余部分按100年一遇设计，而地震输入为100年一遇的小震，造成站台层以上结构出现了轻微损伤。由于小震工况较多，累积后造成结构整体刚度略有下降。

6.3 结构加速度放大系数响应

图11、图12给出了相同地震波下X向和Y向在小震(工况7)、中震(工况15)和大震(工况22)的加速度放大系数对比(测点与底板加速度峰值之比)。整体上看，加速度放大系数随着地震作用增强而减小，随着高度增大而变大，也说明了地震作用增强时，结构出现了一定的损伤，刚度下降。同时，由于结构上部刚度突然减小的原因，造成结构顶部鞭梢效应较强，结构的站台层和雨棚层加速度有明显放大，特别是Y向尤其突出。

图11 8度不同强度地震作用下各测点X向加速度放大系数对比

图12 8度不同强度地震作用下各测点Y向加速度放大系数对比

图13为8度小震三向输入时，三方向输入峰值比依次为1∶0.85∶0.75(工况6)和1∶0.85∶1(工况10)的对比情况。可以看出，工况10的Z向加速度峰值增大后，会引起站台层各点水平加速度增大，而且同一高度各位置的加速度响应有所不同，角点增大尤为突出，对其余各层影响较小。上述结果说明，结构在地震作用下存在扭转效应。

图13 Z向输入加速度峰值不同时Y向加速度响应对比

6.4 结构位移响应

图14、图15给出了相同地震波下X向和Y向在小震、中震和大震的位移和层间位移角结果。位移结果表明，结构X向位移沿层高均匀变化，而Y向位移在雨棚层有明显增大，说明X向刚度沿竖向分布较均匀，Y向有比较明显的刚度突变。从各点的位移差异来看，结构扭转位移不明显，说明结构侧向刚度较大，质量分布不均匀以及楼板大开洞对结构位移的影响较小。

图14 各级震作用下X向位移及层间位移角结果

图15 各级震作用下Y向位移及层间位移角结果

站台层及以下部分X向和Y向最大层间位移角在8度小震作用时分别为1/1 987和1/570，8度中震作用时分别为1/1 020和1/232；8度大震作用时分别为1/552和1/197。

雨棚层X向和Y向最大层间位移角在8度小震作用时分别为1/1 967和1/153，8度中震作用时分别为1/1 343和1/82；8度大震作用时分别为1/920和1/70。

7 有限元分析对比

采用MIDAS软件，建立原型结构的有限元模型。用杆单元模拟梁、柱等构件，用壳单元模拟混凝土楼板，根据模型实测材料的本构按照相似关系换算后定义原型模型中的材料特性，同时对模型设计中的简化措施也在原型模型做相应修改，对修改后的模型进行计算分析。在时程分析时所输入地震波为试验模型底板采集的加速度时程数据，并按相似关系换算至原型。将有限元计算的结果乘以表4中对应物理量的相似关系，推算得到对应缩尺模型的结果，并与振动台试验结果进行对比，以验证试验结果的准确性。

结构计算与模型试验的主要周期及频率结果对比见表6。结果表明，模型动力特性与原型计算值相合较好，试验能够反映真实结构的抗震性能。

表6 试验模型与计算模型周期及频率对比

图16和图17为部分小震工况下，结构的加速度、位移及层间位移角计算值与试验值的对比结果。由结果可见，加速度及楼层位移试验值与计算值符合较好，总体上分布规律相同。

图16 小震作用下加速度结果比较

图17 小震作用下位移结果比较

8 结论及建议

本文首次对8度区钢-混凝土组合结构形式的“干”字形独柱车站，按照相似关系制作了1∶10的试验模型，进行了模拟地震振动台试验模型，根据观察的试验现象及测量的试验数据，经分析得到了以下结论。

(1)在弹性阶段，模型的动力特性与原型计算结果相符较好，能满足本次振动台试验设计相似比关系，说明试验结果与有限元计算结果可靠，能够相互印证。

(2)试验表明结构具有较好的抗震承载力，经历了超设防烈度的8.5度大震作用后，结构保持直立，整体刚度降低29%，主要损伤出现在组合楼板，梁、柱及节点未发现明显损伤，验证了本文的新型车站结构具有可靠的抗震安全性，可满足8度区的抗震要求。

(3)加速度结果表明，Y向结构顶部鞭梢效应较强，结构的站台层和雨棚层加速度有明显放大，加速度放大系数达到6.0左右，对围护结构会有不利影响；Z向加速度峰值增大后，还会引起站台层水平加速度增大；站台层及以上结构的加速度有所差异，存在一定的扭转效应。

(4)位移结果表明，X向刚度沿竖向分布较均匀，Y向有比较明显的刚度突变。各点的位移差异较小，结构扭转位移不明显，说明尽管存在扭转效应，但结构侧向刚度较大，质量分布不均匀以及楼板大开洞对结构位移的影响较小。

综合振动台试验结果来看，在8度设防地区，钢-混凝土组合结构形式的“干”字形独柱车站具有良好的抗震性能和足够的抗震承载能力，但在站台层及雨棚层刚度突变，属于抗震不利的部位。但这部分结构的设计水准又低于下部“干”字形结构，因此造成结构的薄弱部位出现在这两层。建议对雨棚层也进行性能化设计，即使薄弱部位出现损伤后也不影响车站运营。